DE102011076578A1

DE102011076578A1 - Energiespeichermodul aus mehreren prismatischen Speicherzellen

Info

Publication number: DE102011076578A1
Application number: DE201110076578
Authority: DE
Inventors: Hubertus Goesmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-11-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul (1) für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aus mehreren prismatischen Speicherzellen (10), die, zu mindestens einer Reihe (60) gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten (30, 35) über zumindest zwei gegenüberliegende Zuganker (40, 42) verspannt sind, wobei die Endplatten (30, 35) jeweils ein erstes Paar (101, 102) an gegenüberliegenden Seiten mit einem ersten Abstand (A1) zueinander und ein zweites Paar (103, 104) an gegenüberliegenden Seiten mit einem zum ersten Abstand (A1) größeren zweiten Abstand (A2) zueinander aufweisen, und wobei die zumindest zwei Zuganker (40, 42) an den beiden Endplatten (30, 35) jeweils an dem ersten Paar (101, 102) der gegenüberliegenden Seiten angreifen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aus mehreren prismatischen Speicherzellen, die, zumindest in einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten über Zuganker verspannt sind.
In einer üblicherweise als Batterie bezeichneten Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs kommt meist eine Mehrzahl an Energiespeichermodulen zum Antrieb des Fahrzeugs, beispielsweise von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz. Ein jeweiliges Energiespeichermodul besteht typischerweise aus mehreren gestapelten prismatischen Speicherzellen. Die einzelnen Speicherzellen enthalten elektrochemische Zellen der Batterie. Der Stapel aus den einzelnen Speicherzellen wird zumeist über eine mechanische Endplatte und Zuganker zu dem Energiespeichermodul verspannt. Die Endplatten und Zuganker dienen neben der mechanischen Fixierung der Module zueinander insbesondere dazu, eine Verformung durch Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb in den im Inneren der Module angeordneten elektrochemischen Zellen auftreten, entgegenzuwirken. Derartige Energiespeichermodule benötigen in der Regel eine Kühlung, um die Betriebstemperatur sicherzustellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung anzugeben, das auf einfache Weise herstellbar ist und eine effektive Verspannung der Speicherzellen ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombinationen des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aus mehreren prismatischen Speicherzellen, die, zu mindestens einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten (auch Druckplatten genannt) über zu mindest zwei gegenüberliegende Zuganker verspannt sind. Die beiden Endplatten weisen jeweils ein erstes Paar an gegenüberliegenden Seiten mit einem ersten Abstand zueinander und ein zweites Paar an gegenüberliegenden Seiten mit einem zweiten Abstand zueinander auf. Der erste Abstand ist dabei kleiner als der zweite Abstand und die zumindest zwei Zuganker sind an den beiden Endplatten jeweils an dem ersten Paar der gegenüberliegenden Seiten angebracht bzw. greifen dort an. Dadurch ist gewährleistet, dass die beiden Angriffspunkte der Zuganker an der jeweiligen Endplatte möglichst geringen Abstand zueinander haben. Infolgedessen ist der zu berücksichtigende Hebelarm gering und die Zuganker können leichter ausgebildet werden bzw. können mehr Druck aushalten.
Insbesondere befinden sich bei dem Energiespeichermodul alle Anschlussterminals der einzelnen Speicherzellen auf einer Seite, nämlich der Oberseite bzw. Vorderseite. Bei der Konstruktion von Energiespeichermodulen nach dem Stand der Technik erschien es immer als unpraktisch, die Zuganker ebenfalls auf der Oberseite und somit im Bereich der elektrischen Anschlussterminals anzubringen. Deshalb wurden nach dem Stand der Technik die Zuganker in der Regel seitlich des Energiespeichermoduls angebracht. Da jedoch im Laufe der Lebensdauer eines Energiespeichermoduls bis zu 10 KN an Druckkräften auftreten können, wurde erfindungsgemäß erkannt, dass der Angriffspunkt der Zuganker an den Endplatten eine entscheidende Rolle für den maximal zulässigen Innendruck des Energiespeichermoduls darstellt.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste Abstand höchstens 90%, insbesondere höchstens 75%, insbesondere höchstens 60%, des zweiten Abstands beträgt. Bei diesen Größenverhältnissen kommt die erfindungsgemäße Anordnung der Zuganker bevorzugt zur Anwendung.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zuganker mittels einer Schweißverbindung und/oder mittels Fügen durch Umformen mit den Endplatten verbunden sind. Besonders bevorzugt kommt dabei das Durchsetzfügen zur Anwendung. Insbesondere, wenn die beiden Endplatten als Stanzbiegeteile ausgebildet sind, bietet sich das Fügen durch Umformen zur Anbindung der Zuganker an.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass der einzelne Zuganker aus einem einzigen Blech gefertigt ist. Durch diese einteilige Herstellung können Kosten gespart werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass zumindest einer der Zuganker als Wärmeleitblech zum Abführen der Wärme aus den Speicherzellen zu einer Kühleinrichtung ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Speicherzellen Anschlussterminals aufweisen, die bei allen Speicherzellen gemeinsam auf einer Vorderseite des Energiespeichermoduls angeordnet sind, wobei dann ein Zuganker an der der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Energiespeichermoduls zumindest teilweise anliegt. Insbesondere ist dieser anliegende Kontakt wärmeleitend ausgebildet. In dieser bevorzugten Ausführung wird somit einer der beiden Zuganker zusätzlich als Wärmeleitblech verwendet. Dadurch entfällt ein zusätzliches Wärmeleitblech auf der Rückseite bzw. Unterseite des Energiespeichermoduls. Der als Wärmeleitblech ausgebildete Zuganker hat somit zwei Funktionen: zum einen dient er der Kühlung des Zellmoduls und zum anderen der Verspannung der Speicherzellen.
In weiterer vorteilhafter Ausbildung ist vorgesehen, dass zumindest 10%, insbesondere zumindest 50%, insbesondere zumindest 75%, der Oberfläche der Rückseite des Energiespeichermoduls mit dem als Wärmeleitblech ausgebildeten Zuganker in wärmeleitendem Kontakt steht. Dadurch ist eine ausreichende Abführung der Wärme aus dem Energiespeichermodul gewährleistet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 Speicherzellen des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
2 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls gemäß Ausführungsbeispiel.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 und 2 genauer erläutert.
In 1 ist eine einzelne prismatische Speicherzelle 10 eines in seiner Gesamtheit später dargestellten Energiespeichermoduls 1 in perspektivischer Darstellung zu sehen. Die Speicherzelle 10 besteht typischerweise aus einer oder mehreren einzelnen elektrochemischen Zellen, welche in der hier gewählten Darstellung im Inneren der Speicherzelle 10 im Verborgenen liegen. Auf einer Vorderseite 13 weist die Speicherzelle 10 ein Anschlussterminal 11 erster Polarität und ein Anschlussterminal 12 zweiter Polarität auf. Auf der in der Figur nicht dargestellten Rückseite 14 sind keine Anschlussterminals vorgesehen. Eines der Anschlussterminals 11, 12, typischerweise der Plus-Pol der Speicherzelle, kann elektrisch mit einem Gehäuse der Speicherzelle 10 verbunden sein.
Da in dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul 1 mehrere der Speicherzellen 10 zumindest in einer Reihe gestapelt hintereinander angeordnet werden, werden zumindest gegenüberliegende Hauptflächen 15, 16 mit einem elektrisch isolierenden Material versehen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Klebefolie 20 auf die Hauptflächen 15, 16 aufgebracht. Alternativ könnte auf die Hauptflächen 15, 16 auch ein elektrisch isolierender Kleber aufgebracht werden. Ebenso wäre die Verwendung eines Schrumpfschlauchs, der auf die mit Kleber versehenen Hauptflächen 15, 16 aufgebracht wird, denkbar.
Gemäß 2 werden bei dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul die Speicherzellen 10 in lediglich beispielhaft einer Speicherzellen-Reihe 60 angeordnet. Die Verspannung der zu einer Reihe gestapelten Speicherzellen erfolgt im Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Endplatten 30, 35 und Zugankern 40, 42.
Beispielsweise weisen die Zuganker 40, 42 eine Dicke von 2 mm auf. Hierdurch ist eine gleichmäßige Ausdehnung des Energiespeichermoduls parallel zur Kraftrichtung der Verspannung (d. h. in Erstreckungsrichtung der Zuganker 40, 42) sichergestellt, wenn sich die Speicherzellen 10 aufgrund von Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb der Speicherzellen 10 auftreten, verformen.
Die Verbindung zwischen den Zugankern 40, 42 und den Endplatten 30, 35 mittels Umformen stellt ein schnelles, sicheres und etabliertes Verbindungsverfahren im Bereich der Automobiltechnik dar. Prinzipiell könnte die Herstellung der mechanischen Verbindung der in 2 gezeigten Komponenten auch auf alternative Weise erfolgen, beispielsweise durch Verschweißen, Verschrauben oder jede beliebige andere form- und/oder kraftschlüssige Verbindung. Insbesondere erstreckt sich die durch Umformen oder Verschweißen hergestellte Verbindung zwischen Zuganker 40, 42 und Endplatten 30, 35 über eine gesamte Breite B des jeweiligen Zugankers 40, 42.
Wie die 2 zeigt, ist die Endplatte 30 rechtwinklig ausgebildet und umfasst vier Seiten 101 bis 104. Die zweite Endplatte 35 ist nicht vollständig dargestellt, entspricht jedoch der ersten Endplatte 30. Die beiden Seiten 101 und 102 bilden des erste Paar an gegenüberliegenden Seiten. Die beiden Seiten 103 und 104 bilden das zweite Paar an gegenüberliegenden Seiten. Der Abstand A1 ist definiert als der größte Abstand zwischen der ersten Seite 101 und der zweiten Seite 102. Der Abstand A2 ist definiert als der größte Abstand zwischen der Seite 103 und 104. Erfindungsgemäß greift der Zuganker 40 an der ersten Seite 101 an. Der zweite Zuganker 42 greift an der zweiten Seite 102 an. Somit sind die beiden Angriffspunkte der Zuganker 40, 42 um den Abstand A1 voneinander entfernt.
Der untere Zuganker 42 dient gleichzeitig als Wärmeleitblech. Aufgrund der Fertigungstoleranzen der einzelnen Speicherzellen 10 ist es möglich, dass die Rückseite 14 an den einzelnen Speicherzellen 10 nicht in einer Ebene liegt. Zu diesem Zweck wird ein Wärmeleitkleber auf den Zuganker 42 aufgebracht. Durch den Wärmeleitkleber wird dabei ein Ausgleich unterschiedlicher Höhen der Rückseite 14 realisiert. Um sicherzustellen, dass sämtliche Speicherzellen 10 über den Wärmeleitkleber mit dem Wärmeleitblech und einer Kühleinrichtung verbunden sind, kann in Abhängigkeit einer festgestellte Höhentoleranz eine bedarfsgerechte Mengensteuerung des Wärmeleitklebers erfolgen. In der Praxis ist es ausreichend, wenn eine Distanz zwischen 0,2 und 0,6 mm zwischen dem Zuganker 42 und der Rückseite 14 durch den Wärmeleitkleber ausgeglichen werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeichermodul
10: Speicherzelle
11: Anschlussterminal erster Polarität
12: Anschlussterminal zweiter Polarität
13: Vorderseite
14: Rückseite
15: Hauptfläche
16: Hauptfläche
17: Stirnseite
18: Stirnseite
20: Klebefolie
30: Endplatte
35: Endplatte
40: Zuganker
42: Zuganker
60: Speicherzellen-Reihe
101–104: erste bis vierte Seite
A1: erster Abstand
A2: zweiter Abstand
B: Breite

Claims

Energiespeichermodul (1) für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aus mehreren prismatischen Speicherzellen (10), die, zu mindestens einer Reihe (60) gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten (30, 35) über zumindest zwei gegenüberliegende Zuganker (40, 42) verspannt sind, wobei die Endplatten (30, 35) jeweils ein erstes Paar (101, 102) an gegenüberliegenden Seiten mit einem ersten Abstand (A1) zueinander und ein zweites Paar (103, 104) an gegenüberliegenden Seiten mit einem zum ersten Abstand (A1) größeren zweiten Abstand (A2) zueinander aufweisen, und wobei die zumindest zwei Zuganker (40, 42) an den beiden Endplatten (30, 35) jeweils an dem ersten Paar (101, 102) der gegenüberliegenden Seiten angreifen.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (A1) höchstens 90%, insbesondere höchstens 75%, insbesondere höchstens 60%, des zweiten Abstands (A2) beträgt.
Energiespeichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuganker (40, 42) mittels einer Schweißverbindung und/oder mittels Fügen durch Umformen, insbesondere Durchsetzfügen, mit den Endplatten (30, 35) verbunden sind.
Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner Zuganker (40, 42) aus einem einzigen Blech besteht.
Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Zuganker (40, 42) als Wärmeleitblech zum Abführen der Wärme aus den Speicherzellen (10) zu einer Kühleinrichtung ausgebildet ist.
Energiespeichermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (10) Anschlussterminals (11, 12) aufweisen, die bei allen Speicherzellen (10) gemeinsam auf einer Vorderseite (13) des Energiespeichermoduls (1) angeordnet sind, wobei ein Zuganker (40, 42) an der der Vorderseite (13) gegenüberliegenden Rückseite (14) des Energiespeichermoduls (10) zumindest teilweise anliegt.
Energiespeichermodul nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 10%, insbesondere zumindest 50%, insbesondere zumindest 75%, der Oberfläche der Rückseite (14) des Energiespeichermoduls (10) mit dem Zuganker (40, 42) bzw. den Zugankern (40, 42) in wärmeleitendem Kontakt steht.